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Introduzione Preliminari Algoritmo di Kiepert Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica Ilaria Nesi 21 novembre 2008 Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

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IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Algoritmo di Kiepert per la risoluzionedell’equazione quintica

Ilaria Nesi

21 novembre 2008

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Nel primo seminario:

equazioni di secondo e terzo grado

costruzione di un metodo geometrico per risolvere equazioni disecondo e terzo gradoapprofondimento degli aspetti didattici del metodosviluppo di varie tipologie di esercizi per comprendere eapplicare il metodo

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

In questo seminario:

equazioni di quinto grado

trasformazioni di Tschirnhaussolidi platonici regolari e loro simmetriefunzioni ellittiche di Weierstrass e di Jacobifunzioni theta (di genere 1)

algoritmo di Kiepert per la risoluzione della generale equazione diquinto grado (1878)

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

In questo seminario:

equazioni di quinto grado

trasformazioni di Tschirnhaussolidi platonici regolari e loro simmetriefunzioni ellittiche di Weierstrass e di Jacobifunzioni theta (di genere 1)

algoritmo di Kiepert per la risoluzione della generale equazione diquinto grado (1878)

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Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Trasformazioni di Tschirnhaus

Generica equazione monica di grado n con radici x1, . . . , xn:

xn + a1xn−1 + . . .+ an = 0 ,

definiamo, per k = 1, . . . ,n:

yk = α0 + α1xk + . . .+ αn−1xn−1k ,

nuova equazione monica di grado n con radici y1, . . . , yn:

yn + A1yn−1 + . . .+ An = 0 .

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Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Relazioni di Newton per l’equazione in y :∑yk + A1 = 0∑

y2k + A1

∑yk + 2A2 = 0∑

y3k + A1

∑y2

k + A2

∑yk + 3A3 = 0 . . .

se deve sparire il termine A1yn−1 −→ dovrà essere∑

yk = 0,

se deve sparire anche A2yn−2 −→ dovrà essere anche∑

y2k = 0.

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Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Relazioni di Newton per l’equazione in y :∑yk + A1 = 0∑

y2k + A1

∑yk + 2A2 = 0∑

y3k + A1

∑y2

k + A2

∑yk + 3A3 = 0 . . .

se deve sparire il termine A1yn−1 −→ dovrà essere∑

yk = 0,

se deve sparire anche A2yn−2 −→ dovrà essere anche∑

y2k = 0.

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Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Solidi platonici e polinomi poliedrali

TETRAEDRO, OTTAEDRO, CUBO, ICOSAEDRO, DODECAEDRO

- Possiamo rappresentare questi poliedri come punti sullasuperficie della sfera di Riemann.

- Possiamo rappresentare i numeri complessi z = a + ib comepunti nel piano di Argand.

B Facciamo coincidere il piano di Argand con il piano equatorialedella sfera di Riemann corrispondenza biunivoca tra i puntidella sfera e i punti del piano equatoriale (proiezionestereografica da N = (0,0,1)↔∞).

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Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Solidi platonici e polinomi poliedrali

TETRAEDRO, OTTAEDRO, CUBO, ICOSAEDRO, DODECAEDRO

- Possiamo rappresentare questi poliedri come punti sullasuperficie della sfera di Riemann.

- Possiamo rappresentare i numeri complessi z = a + ib comepunti nel piano di Argand.

B Facciamo coincidere il piano di Argand con il piano equatorialedella sfera di Riemann corrispondenza biunivoca tra i puntidella sfera e i punti del piano equatoriale (proiezionestereografica da N = (0,0,1)↔∞).

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Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Polinomi poliedrali:

Sono polinomi in u, v (z = u/v ) le cui radici corrispondono allaposizione, sulla superficie della sfera di Riemann:

- dei vertici del poliedro,- dei punti medi dei lati del poliedro,- o dei baricentri delle facce del poliedro.

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Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Tetraedro (simmetria Td ∼= S4):

vertici: Φ = u4 − 2√

3iu2v2 + v4

lati: t = uv(u4 − v4)facce: Ψ = u4 + 2

√3iu2v2 + v4

Ottaedro (simmetria Oh ∼= S4 × Z2):

vertici: τ = uv(u4 − v4)lati: X = u12 − 33(u8v4 + u4v8) + v12

facce: W = u8 + 14u4v4 + v8

Icosaedro (simmetria Ih ∼= A5 × Z2):

vertici: f = uv(u10 + 11u5v5 − v10)lati: T = u30 − 10005(u20v10 + u10v20) + 522(u25v5 − u5v25 + v30)facce: H = −u20 + 228(u15v5 − u5v25)− 494u10v10 − v20

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Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Ad esempio, polinomio dei vertici dell’ottaedro in figura:

i vertici sono 6 punti sulla sfera diRiemann, che corrispondono aivalori:

z = 0, ∞, 1, −1, i , −i ⇒

in coordinate affini:z(z−1)(z +1)(z−i)(z +i) = z(z4−1)

in coordinate omogenee (z = u/v ):τ = uv(u4 − v4) !(il fattore v permette che si annullianche per z =∞)

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Ad esempio, polinomio dei vertici dell’ottaedro in figura:

i vertici sono 6 punti sulla sfera diRiemann, che corrispondono aivalori:

z = 0, ∞, 1, −1, i , −i ⇒

in coordinate affini:z(z−1)(z +1)(z−i)(z +i) = z(z4−1)

in coordinate omogenee (z = u/v ):τ = uv(u4 − v4) !(il fattore v permette che si annullianche per z =∞)

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Ad esempio, polinomio dei vertici dell’ottaedro in figura:

i vertici sono 6 punti sulla sfera diRiemann, che corrispondono aivalori:

z = 0, ∞, 1, −1, i , −i ⇒

in coordinate affini:z(z−1)(z +1)(z−i)(z +i) = z(z4−1)

in coordinate omogenee (z = u/v ):τ = uv(u4 − v4) !(il fattore v permette che si annullianche per z =∞)

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Ad esempio, polinomio dei vertici dell’ottaedro in figura:

i vertici sono 6 punti sulla sfera diRiemann, che corrispondono aivalori:

z = 0, ∞, 1, −1, i , −i ⇒

in coordinate affini:z(z−1)(z +1)(z−i)(z +i) = z(z4−1)

in coordinate omogenee (z = u/v ):τ = uv(u4 − v4) !(il fattore v permette che si annullianche per z =∞)

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Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Da tener presente:B I polinomi f ,H,T dell’icosaedro sono invarianti assoluti del gruppoicosaedrale Ih. Inoltre:

Teorema:Ogni polinomio omogeneo in u, v che sia invariante per Ih è uninvariante assoluto ed è un polinomio in f ,H,T .

Identità dell’icosaedro:

1728f 5 − H3 − T 2 ≡ 0

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Da tener presente:B I polinomi f ,H,T dell’icosaedro sono invarianti assoluti del gruppoicosaedrale Ih. Inoltre:

Teorema:Ogni polinomio omogeneo in u, v che sia invariante per Ih è uninvariante assoluto ed è un polinomio in f ,H,T .

Identità dell’icosaedro:

1728f 5 − H3 − T 2 ≡ 0

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Da tener presente:B I polinomi f ,H,T dell’icosaedro sono invarianti assoluti del gruppoicosaedrale Ih. Inoltre:

Teorema:Ogni polinomio omogeneo in u, v che sia invariante per Ih è uninvariante assoluto ed è un polinomio in f ,H,T .

Identità dell’icosaedro:

1728f 5 − H3 − T 2 ≡ 0

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Funzioni ellittiche generali

Sia Ω l’insieme dei periodi di f nel piano di Argand; f è unafunzione doppiamente periodica se Ω è un reticolo di puntiformato dalle intersezioni di due famiglie di rette paralleleequidistanti.

FUNZIONE ELLITTICA: funzione meromorfa su C e doppiamenteperiodica.

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Funzioni ellittiche generali

Sia Ω l’insieme dei periodi di f nel piano di Argand; f è unafunzione doppiamente periodica se Ω è un reticolo di puntiformato dalle intersezioni di due famiglie di rette paralleleequidistanti.

FUNZIONE ELLITTICA: funzione meromorfa su C e doppiamenteperiodica.

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Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Ogni parallelogramma è detto maglia(quello celeste è il parallelogrammafondamentale).Cella: maglia senza poli o zeri sulbordo.

→ Basta descrivere il comportamento diuna funzione ellittica in una maglia!

2ω,2ω′: periodi primitivi; tutti i periodi di f hanno la forma:w = 2mω + 2nω′.

(convenzione: ω, ω′ scelti in modo che Im(ω′/ω) > 0)

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Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Ogni parallelogramma è detto maglia(quello celeste è il parallelogrammafondamentale).Cella: maglia senza poli o zeri sulbordo.

→ Basta descrivere il comportamento diuna funzione ellittica in una maglia!

2ω,2ω′: periodi primitivi; tutti i periodi di f hanno la forma:w = 2mω + 2nω′.

(convenzione: ω, ω′ scelti in modo che Im(ω′/ω) > 0)

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Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Proprietà:1 Ogni funzione ellittica non costante ha poli.2 Data f ellittica, il numero (finito) di poli in una cella, contati con la

molteplicità, è detto ordine della funzione ellittica.3 Se f è ellittica di ordine r , f assume ciascun c ∈ C esattamente r

volte (contando la molteplicità) in ogni maglia.4 La somma dei residui di una funzione ellittica nei poli di una

qualsiasi cella è zero.Quindi non esistono funzioni ellittiche di ordine 1.

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Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Proprietà:1 Ogni funzione ellittica non costante ha poli.2 Data f ellittica, il numero (finito) di poli in una cella, contati con la

molteplicità, è detto ordine della funzione ellittica.3 Se f è ellittica di ordine r , f assume ciascun c ∈ C esattamente r

volte (contando la molteplicità) in ogni maglia.4 La somma dei residui di una funzione ellittica nei poli di una

qualsiasi cella è zero.Quindi non esistono funzioni ellittiche di ordine 1.

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Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Proprietà:1 Ogni funzione ellittica non costante ha poli.2 Data f ellittica, il numero (finito) di poli in una cella, contati con la

molteplicità, è detto ordine della funzione ellittica.3 Se f è ellittica di ordine r , f assume ciascun c ∈ C esattamente r

volte (contando la molteplicità) in ogni maglia.4 La somma dei residui di una funzione ellittica nei poli di una

qualsiasi cella è zero.Quindi non esistono funzioni ellittiche di ordine 1.

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Proprietà:1 Ogni funzione ellittica non costante ha poli.2 Data f ellittica, il numero (finito) di poli in una cella, contati con la

molteplicità, è detto ordine della funzione ellittica.3 Se f è ellittica di ordine r , f assume ciascun c ∈ C esattamente r

volte (contando la molteplicità) in ogni maglia.4 La somma dei residui di una funzione ellittica nei poli di una

qualsiasi cella è zero.Quindi non esistono funzioni ellittiche di ordine 1.

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Funzioni ellittiche di ordine 2:1 2 poli semplici con residui uguali in modulo ma di segno opposto

in ogni cella −→ funzioni ellittiche di Jacobi2 1 polo doppio con residuo zero in ogni cella −→ funzioni ellittiche

di Weierstrass

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Funzioni ellittiche di Weierstrass

La funzione ℘ di Weierstrass:

℘(z) = ℘(z|ω, ω′) =1z2 +

∑(m,n) 6=(0,0)

[1

(z − w)2 −1

w2

]=

=1z2 +

∑(m,n)6=(0,0)

[1

(z − 2mω − 2nω′)2 −1

(2mω + 2nω′)2

]

- È una funzione ellittica (pari) con periodi primitivi 2ω,2ω′ e conpoli doppi nei punti w = 2mω + 2nω′.

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Funzioni ellittiche di Weierstrass

La funzione ℘ di Weierstrass:

℘(z) = ℘(z|ω, ω′) =1z2 +

∑(m,n) 6=(0,0)

[1

(z − w)2 −1

w2

]=

=1z2 +

∑(m,n)6=(0,0)

[1

(z − 2mω − 2nω′)2 −1

(2mω + 2nω′)2

]

- È una funzione ellittica (pari) con periodi primitivi 2ω,2ω′ e conpoli doppi nei punti w = 2mω + 2nω′.

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Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

La derivata della ℘ di Weierstrass

℘′(z) = −2∑

(m,n)6=(0,0)

1(z − w)3

- È una funzione ellittica (dispari) di ordine 3; ha poli tripli nei puntiw = 2mω + 2nω′ e i suoi 3 zeri nel parallelogrammafondamentale sono:

ω1 = ω, ω2 = ω + ω′, ω3 = ω′ .

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La derivata della ℘ di Weierstrass

℘′(z) = −2∑

(m,n)6=(0,0)

1(z − w)3

- È una funzione ellittica (dispari) di ordine 3; ha poli tripli nei puntiw = 2mω + 2nω′ e i suoi 3 zeri nel parallelogrammafondamentale sono:

ω1 = ω, ω2 = ω + ω′, ω3 = ω′ .

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Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Se chiamiamo: e1 = ℘(ω1), e2 = ℘(ω2), e3 = ℘(ω3) ,otteniamo, usando una proprietà delle funzioni ellittiche:

℘′2(z) = 4(℘(z)− e1)(℘(z)− e2)(℘(z)− e3)

Ponendo ℘(z) = u e integrando:

z =

∫ u

dθ√4(θ − e1)(θ − e2)(θ − e3)

(℘(z) come funzione inversa di un integrale ellittico).

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Se chiamiamo: e1 = ℘(ω1), e2 = ℘(ω2), e3 = ℘(ω3) ,otteniamo, usando una proprietà delle funzioni ellittiche:

℘′2(z) = 4(℘(z)− e1)(℘(z)− e2)(℘(z)− e3)

Ponendo ℘(z) = u e integrando:

z =

∫ u

dθ√4(θ − e1)(θ − e2)(θ − e3)

(℘(z) come funzione inversa di un integrale ellittico).

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Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Con ragionamenti diversi...

℘′2(z) = 4℘3(z)− g2℘(z)− g3

dove:

g2 = 60 ·∑

(m,n) 6=(0,0)

1(2mω + 2nω′)4

g3 = 140 ·∑

(m,n) 6=(0,0)

1(2mω + 2nω′)6

=⇒ e1, e2, e3 sono le soluzioni dell’equazione:

4x3 − g2x − g3 = 0 .

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Con ragionamenti diversi...

℘′2(z) = 4℘3(z)− g2℘(z)− g3

dove:

g2 = 60 ·∑

(m,n) 6=(0,0)

1(2mω + 2nω′)4

g3 = 140 ·∑

(m,n) 6=(0,0)

1(2mω + 2nω′)6

=⇒ e1, e2, e3 sono le soluzioni dell’equazione:

4x3 − g2x − g3 = 0 .

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Il discriminante dell’equazione di terzo grado è:

∆ = g32 − 27g2

3

e g2, g3, ∆ sono detti invarianti della funzione ℘(z).

Le tre soluzioni e1, e2, e3 dell’equazione sono invece detteinvarianti irrazionali di ℘(z).

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La funzione ζ di Weierstrass

ζ(z) =1z

+∑[

1z − w

+1w

+z

w2

]

- È l’integrale della ℘ di Weierstrass, cambiato di segno:℘(z) = −ζ ′(z).

- È una funzione dispari, meromorfa con poli semplici, ma non èellittica.

(non è doppiamente periodica: se η = ζ(ω) e η′ = ζ(ω′)→ζ(z + 2ω) = ζ(z) + 2η , ζ(z + 2ω′) = ζ(z) + 2η′ )

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La funzione ζ di Weierstrass

ζ(z) =1z

+∑[

1z − w

+1w

+z

w2

]

- È l’integrale della ℘ di Weierstrass, cambiato di segno:℘(z) = −ζ ′(z).

- È una funzione dispari, meromorfa con poli semplici, ma non èellittica.

(non è doppiamente periodica: se η = ζ(ω) e η′ = ζ(ω′)→ζ(z + 2ω) = ζ(z) + 2η , ζ(z + 2ω′) = ζ(z) + 2η′ )

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La funzione ζ di Weierstrass

ζ(z) =1z

+∑[

1z − w

+1w

+z

w2

]

- È l’integrale della ℘ di Weierstrass, cambiato di segno:℘(z) = −ζ ′(z).

- È una funzione dispari, meromorfa con poli semplici, ma non èellittica.

(non è doppiamente periodica: se η = ζ(ω) e η′ = ζ(ω′)→ζ(z + 2ω) = ζ(z) + 2η , ζ(z + 2ω′) = ζ(z) + 2η′ )

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La funzione σ di Weierstrass

σ(z) = z ·∏

(1− zw

) exp[

zw

+12

( zw

)2]

- La ζ di Weierstrass è la sua derivata logaritmica: σ′(z)σ(z) = ζ(z).

- È una funzione intera (dispari) che ha come zeri i puntiw = 2mω + 2nω′.Definiamo anche altre 3 funzioni intere:

σa(z) =σ(ωa−z)eηaz

σ(ωa)(a = 1,2,3),

dove ηa = ζ(ωa).

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La funzione σ di Weierstrass

σ(z) = z ·∏

(1− zw

) exp[

zw

+12

( zw

)2]

- La ζ di Weierstrass è la sua derivata logaritmica: σ′(z)σ(z) = ζ(z).

- È una funzione intera (dispari) che ha come zeri i puntiw = 2mω + 2nω′.Definiamo anche altre 3 funzioni intere:

σa(z) =σ(ωa−z)eηaz

σ(ωa)(a = 1,2,3),

dove ηa = ζ(ωa).

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La funzione σ di Weierstrass

σ(z) = z ·∏

(1− zw

) exp[

zw

+12

( zw

)2]

- La ζ di Weierstrass è la sua derivata logaritmica: σ′(z)σ(z) = ζ(z).

- È una funzione intera (dispari) che ha come zeri i puntiw = 2mω + 2nω′.Definiamo anche altre 3 funzioni intere:

σa(z) =σ(ωa−z)eηaz

σ(ωa)(a = 1,2,3),

dove ηa = ζ(ωa).

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La funzione σ di Weierstrass

σ(z) = z ·∏

(1− zw

) exp[

zw

+12

( zw

)2]

- La ζ di Weierstrass è la sua derivata logaritmica: σ′(z)σ(z) = ζ(z).

- È una funzione intera (dispari) che ha come zeri i puntiw = 2mω + 2nω′.Definiamo anche altre 3 funzioni intere:

σa(z) =σ(ωa−z)eηaz

σ(ωa)(a = 1,2,3),

dove ηa = ζ(ωa).

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IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Funzioni ellittiche di Jacobi

Consideriamo funzioni f così definite:

z =

∫ f (z)

0

dx√P(x)

,

dove P(x) è un polinomio.

- Ad esempio:

z =

∫ sin(z)

0

dx√1− x2

.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Funzioni ellittiche di Jacobi

Consideriamo funzioni f così definite:

z =

∫ f (z)

0

dx√P(x)

,

dove P(x) è un polinomio.

- Ad esempio:

z =

∫ sin(z)

0

dx√1− x2

.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Se P(x) ha grado 3 o 4 −→ integrali ellittici.

Prendiamo:

z =

∫ f (z)

0

dx√(1− x2)(1− k2x2)

,

sostituendo x = sinϑ:

z =

∫ φ

0

dϑ√1− k2 sin2 ϑ

con f (z) = sinφ.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Se P(x) ha grado 3 o 4 −→ integrali ellittici.

Prendiamo:

z =

∫ f (z)

0

dx√(1− x2)(1− k2x2)

,

sostituendo x = sinϑ:

z =

∫ φ

0

dϑ√1− k2 sin2 ϑ

con f (z) = sinφ.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Le funzioni ellittiche di Jacobi:sn(z) = sinφ

cn(z) = cosφ =√

1− sn 2(z)

dn(z) =√

1− k2sn 2(z)

k : modulok ′ =

√1− k2: modulo complementare

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Le funzioni ellittiche di Jacobi:sn(z) = sinφ

cn(z) = cosφ =√

1− sn 2(z)

dn(z) =√

1− k2sn 2(z)

k : modulok ′ =

√1− k2: modulo complementare

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Le 3 funzioni sn, cn, dn sono ellittiche e si possono esprimeretramite la ℘:

sn(√

e1 − e3 z) =

√e1 − e3

℘(z)− e3

cn(√

e1 − e3 z) =

√℘(z)− e1

℘(z)− e3

dn(√

e1 − e3 z) =

√℘(z)− e2

℘(z)− e3.

I gli invarianti irrazionali e1, e2, e3 di ℘ sono legati al modulo dellefunzioni di Jacobi così:

k2 =e2 − e3

e1 − e3, k ′2 = 1− k2 =

e1 − e2

e1 − e3.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Le 3 funzioni sn, cn, dn sono ellittiche e si possono esprimeretramite la ℘:

sn(√

e1 − e3 z) =

√e1 − e3

℘(z)− e3

cn(√

e1 − e3 z) =

√℘(z)− e1

℘(z)− e3

dn(√

e1 − e3 z) =

√℘(z)− e2

℘(z)− e3.

I gli invarianti irrazionali e1, e2, e3 di ℘ sono legati al modulo dellefunzioni di Jacobi così:

k2 =e2 − e3

e1 − e3, k ′2 = 1− k2 =

e1 − e2

e1 − e3.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

La funzione ψn(z)

Soffermiamoci su una particolare funzione ellittica con periodi2ω,2ω′:

ψn(z) =σ(nz)

σn 2 (z)

ψ1(z) = 1ψ2(z) = −℘′(z)

ψ3(z) = 3℘4(z)− 32

g2℘2(z)− 3g3℘(z)− 1

16g2

2

ψ4(z) = ℘′(z)(℘′4(z)− ψ3(z)℘′′(z)

)Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

La funzione ψn(z)

Soffermiamoci su una particolare funzione ellittica con periodi2ω,2ω′:

ψn(z) =σ(nz)

σn 2 (z)

ψ1(z) = 1ψ2(z) = −℘′(z)

ψ3(z) = 3℘4(z)− 32

g2℘2(z)− 3g3℘(z)− 1

16g2

2

ψ4(z) = ℘′(z)(℘′4(z)− ψ3(z)℘′′(z)

)Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

definizione ricorsiva:

ψ2n+1 = ψn+2ψ3n − ψn−1ψ

3n+1

ψ2n =ψn

℘′(z)(ψn−2ψ

2n+1 − ψn+2ψ

2n−1)

Il caso n = 5 è importante per l’algoritmo:

ψ5(z) = 0⇔ (℘′′2−12℘℘′2)3−16℘′4℘′′(℘′′2−12℘℘′2)−64℘′8 =0.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

definizione ricorsiva:

ψ2n+1 = ψn+2ψ3n − ψn−1ψ

3n+1

ψ2n =ψn

℘′(z)(ψn−2ψ

2n+1 − ψn+2ψ

2n−1)

Il caso n = 5 è importante per l’algoritmo:

ψ5(z) = 0⇔ (℘′′2−12℘℘′2)3−16℘′4℘′′(℘′′2−12℘℘′2)−64℘′8 =0.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Funzioni theta

Funzioni theta:Sono 4 funzioni intere e periodiche, rappresentabili tramite seriela cui convergenza è estremamente rapida.Si possono mettere in relazione con le funzioni viste finora esono utili per la loro computazione numerica.Consideriamo una ℘(z) = ℘(z|ω, ω′) e definiamo:

τ =ω′

ω(Imτ > 0) , q = eiπτ , ν =

z2ω

.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Funzioni theta

Funzioni theta:Sono 4 funzioni intere e periodiche, rappresentabili tramite seriela cui convergenza è estremamente rapida.Si possono mettere in relazione con le funzioni viste finora esono utili per la loro computazione numerica.Consideriamo una ℘(z) = ℘(z|ω, ω′) e definiamo:

τ =ω′

ω(Imτ > 0) , q = eiπτ , ν =

z2ω

.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Funzioni theta

Funzioni theta:Sono 4 funzioni intere e periodiche, rappresentabili tramite seriela cui convergenza è estremamente rapida.Si possono mettere in relazione con le funzioni viste finora esono utili per la loro computazione numerica.Consideriamo una ℘(z) = ℘(z|ω, ω′) e definiamo:

τ =ω′

ω(Imτ > 0) , q = eiπτ , ν =

z2ω

.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

θ1(ν) = 2 4√

q∞∑

n=0

(−1)nqn(n+1) sin[(2n + 1)πν]

θ2(ν) = 2 4√

q∞∑

n=0

qn(n+1) cos[(2n + 1)πν]

θ3(ν) = 1 + 2∞∑

n=1

qn2cos(2nπν)

θ4(ν) = 1 + 2∞∑

n=1

(−1)nqn2cos(2nπν)

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

- le serie convergono ∀ν ∈ C e ∀q ∈ R tale che: |q| < 1

- il fattore qn2porta a una convergenza molto rapida

- θ1, θ2 hanno periodo 2 e θ3, θ4 hanno periodo 1

- Se prendiamo ν = 0 (per θ1 prima deriviamo) otteniamo lecosiddette funzioni thetanulle:

θ′1(0) = 2πq14 (1− 3q2 + 5q6 − . . .)

θ2(0) = 2q14 (1 + q2 + q6 + . . .)

θ3(0) = 1 + 2(q + q4 + q9 + . . .)

θ4(0) = 1− 2(q − q4 + q9 − . . .).

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

- le serie convergono ∀ν ∈ C e ∀q ∈ R tale che: |q| < 1

- il fattore qn2porta a una convergenza molto rapida

- θ1, θ2 hanno periodo 2 e θ3, θ4 hanno periodo 1

- Se prendiamo ν = 0 (per θ1 prima deriviamo) otteniamo lecosiddette funzioni thetanulle:

θ′1(0) = 2πq14 (1− 3q2 + 5q6 − . . .)

θ2(0) = 2q14 (1 + q2 + q6 + . . .)

θ3(0) = 1 + 2(q + q4 + q9 + . . .)

θ4(0) = 1− 2(q − q4 + q9 − . . .).

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Vediamo alcune delle relazioni tra le θ e le funzioni viste inprecedenza. Se ν = z/2ω:

relazione tra ℘ e le θ:

℘(z|ω, ω′) = ea +1

4ω2

[θ′1(0) · θa+1(ν)

θa+1(0) · θ1(ν)

]2

(a = 1,2,3).

relazione tra le σ e le θ:

σ(z) = 2ωeη

2ω z2· θ1(ν)

θ′1(0)σ1(z) = e

η2ω z2· θ2(ν)

θ2(0)

σ2(z) = eη

2ω z2· θ3(ν)

θ3(0)σ3(z) = e

η2ω z2· θ4(ν)

θ4(0).

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

Vediamo alcune delle relazioni tra le θ e le funzioni viste inprecedenza. Se ν = z/2ω:

relazione tra ℘ e le θ:

℘(z|ω, ω′) = ea +1

4ω2

[θ′1(0) · θa+1(ν)

θa+1(0) · θ1(ν)

]2

(a = 1,2,3).

relazione tra le σ e le θ:

σ(z) = 2ωeη

2ω z2· θ1(ν)

θ′1(0)σ1(z) = e

η2ω z2· θ2(ν)

θ2(0)

σ2(z) = eη

2ω z2· θ3(ν)

θ3(0)σ3(z) = e

η2ω z2· θ4(ν)

θ4(0).

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

relazioni tra le funzioni di Jacobi e le θ:

sn(√

e1 − e3 z)

= 2ω√

e1 − e3θ4(0)θ1(ν)

θ4(ν)θ′1(0)

cn(√

e1 − e3 z)

=θ4(0)θ2(ν)

θ2(0)θ4(ν)dn(√

e1 − e3 z)

=θ4(0)θ3(ν)

θ3(0)θ4(ν).

B Per il nostro algoritmo saranno utili le seguenti relazioni tra ilmodulo k delle funzioni di Jacobi e le funzioni thetanulle:

√k =

θ2(0)

θ3(0)

√k ′ =

θ4(0)

θ3(0).

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Trasformazioni di TschirnhausPolinomi poliedraliFunzioni ellitticheFunzioni theta

relazioni tra le funzioni di Jacobi e le θ:

sn(√

e1 − e3 z)

= 2ω√

e1 − e3θ4(0)θ1(ν)

θ4(ν)θ′1(0)

cn(√

e1 − e3 z)

=θ4(0)θ2(ν)

θ2(0)θ4(ν)dn(√

e1 − e3 z)

=θ4(0)θ3(ν)

θ3(0)θ4(ν).

B Per il nostro algoritmo saranno utili le seguenti relazioni tra ilmodulo k delle funzioni di Jacobi e le funzioni thetanulle:

√k =

θ2(0)

θ3(0)

√k ′ =

θ4(0)

θ3(0).

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Algoritmo di Kiepert

Equazione quintica generale

x5 + Ax4 + Bx3 + Cx2 + Dx + E = 0

↓ (1) ↑

Equazione quintica principale

z5 + 5az2 + 5bz + c = 0

↓ (2) ↑

Equazione quintica di Brioschi

y5 − 10Zy3 + 45Z 2y − Z 2 = 0

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Algoritmo di Kiepert

Equazione quintica generale

x5 + Ax4 + Bx3 + Cx2 + Dx + E = 0

↓ (1) ↑

Equazione quintica principale

z5 + 5az2 + 5bz + c = 0

↓ (2) ↑

Equazione quintica di Brioschi

y5 − 10Zy3 + 45Z 2y − Z 2 = 0

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Algoritmo di Kiepert

Equazione quintica generale

x5 + Ax4 + Bx3 + Cx2 + Dx + E = 0

↓ (1) ↑

Equazione quintica principale

z5 + 5az2 + 5bz + c = 0

↓ (2) ↑

Equazione quintica di Brioschi

y5 − 10Zy3 + 45Z 2y − Z 2 = 0

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Algoritmo di Kiepert

↓ (3) ↑

Equazione sestica di Jacobi

s6 +10∆

s3 − 12g2

∆2 s +5

∆2 = 0

B per risolverla:si esprimono le soluzioni tramite la ℘ di Weierstrass (4)

poi si esprimono tramite le funzioni theta (5)

si calcola il valore del parametro q (problema dell’inversione) (6)

si ripercorrono all’indietro tutte le trasformazioni (7)

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Algoritmo di Kiepert

↓ (3) ↑

Equazione sestica di Jacobi

s6 +10∆

s3 − 12g2

∆2 s +5

∆2 = 0

B per risolverla:si esprimono le soluzioni tramite la ℘ di Weierstrass (4)

poi si esprimono tramite le funzioni theta (5)

si calcola il valore del parametro q (problema dell’inversione) (6)

si ripercorrono all’indietro tutte le trasformazioni (7)

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Algoritmo di Kiepert

↓ (3) ↑

Equazione sestica di Jacobi

s6 +10∆

s3 − 12g2

∆2 s +5

∆2 = 0

B per risolverla:si esprimono le soluzioni tramite la ℘ di Weierstrass (4)

poi si esprimono tramite le funzioni theta (5)

si calcola il valore del parametro q (problema dell’inversione) (6)

si ripercorrono all’indietro tutte le trasformazioni (7)

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Algoritmo di Kiepert

↓ (3) ↑

Equazione sestica di Jacobi

s6 +10∆

s3 − 12g2

∆2 s +5

∆2 = 0

B per risolverla:si esprimono le soluzioni tramite la ℘ di Weierstrass (4)

poi si esprimono tramite le funzioni theta (5)

si calcola il valore del parametro q (problema dell’inversione) (6)

si ripercorrono all’indietro tutte le trasformazioni (7)

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Algoritmo di Kiepert

↓ (3) ↑

Equazione sestica di Jacobi

s6 +10∆

s3 − 12g2

∆2 s +5

∆2 = 0

B per risolverla:si esprimono le soluzioni tramite la ℘ di Weierstrass (4)

poi si esprimono tramite le funzioni theta (5)

si calcola il valore del parametro q (problema dell’inversione) (6)

si ripercorrono all’indietro tutte le trasformazioni (7)

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Dalla quintica generale alla quintica principale

Si usa una trasformazione di Tschirnhaus della forma:

zk = x2k − uxk + v

chi sono u e v?Nella quintica principale mancano i termini con z4 e z3 =⇒ vaposto

∑zk = 0 e

∑z2

k = 0;facendo i calcoli...

5v = −Au − A2 + 2B

(2A2 − 5B)u2 + (4A3 − 13AB + 15C)u + (2A4 − 8A2B+

+ 10AC + 3B2 − 10D) = 0

dalla seconda troviamo u e dalla prima calcoliamo ilcorrispondente v .

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Dalla quintica generale alla quintica principale

Si usa una trasformazione di Tschirnhaus della forma:

zk = x2k − uxk + v

chi sono u e v?Nella quintica principale mancano i termini con z4 e z3 =⇒ vaposto

∑zk = 0 e

∑z2

k = 0;facendo i calcoli...

5v = −Au − A2 + 2B

(2A2 − 5B)u2 + (4A3 − 13AB + 15C)u + (2A4 − 8A2B+

+ 10AC + 3B2 − 10D) = 0

dalla seconda troviamo u e dalla prima calcoliamo ilcorrispondente v .

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Dalla quintica generale alla quintica principale

Si usa una trasformazione di Tschirnhaus della forma:

zk = x2k − uxk + v

chi sono u e v?Nella quintica principale mancano i termini con z4 e z3 =⇒ vaposto

∑zk = 0 e

∑z2

k = 0;facendo i calcoli...

5v = −Au − A2 + 2B

(2A2 − 5B)u2 + (4A3 − 13AB + 15C)u + (2A4 − 8A2B+

+ 10AC + 3B2 − 10D) = 0

dalla seconda troviamo u e dalla prima calcoliamo ilcorrispondente v .

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Troviamo i coefficienti a,b, c della quintica principale:scriviamo: v5 + 5av2 + 5bv + c =

∏(v − zk ) e sfruttiamo le

identità di Newton...

c = −E(u5 + Au4 + Bu3 + Cu2 + Du + E)− v5 − 5av2 − 5bv

ora deriviamo: 5v4 + 10av + 5b + c =∑

j∏

k 6=j (v − zk ), eprocedendo analogamente...

5b = D(u4+Au3+Bu2+Cu+D)−E(5u3+4Au2+3Bu+C)−5v4−10av

derivando ancora una volta...

5a = −C(u3+Au2+Bu+C)+D(4u2+3Au+2B)−E(5u+2A)−10v3

B abbiamo così trovato i coefficienti della quintica principale!

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Troviamo i coefficienti a,b, c della quintica principale:scriviamo: v5 + 5av2 + 5bv + c =

∏(v − zk ) e sfruttiamo le

identità di Newton...

c = −E(u5 + Au4 + Bu3 + Cu2 + Du + E)− v5 − 5av2 − 5bv

ora deriviamo: 5v4 + 10av + 5b + c =∑

j∏

k 6=j (v − zk ), eprocedendo analogamente...

5b = D(u4+Au3+Bu2+Cu+D)−E(5u3+4Au2+3Bu+C)−5v4−10av

derivando ancora una volta...

5a = −C(u3+Au2+Bu+C)+D(4u2+3Au+2B)−E(5u+2A)−10v3

B abbiamo così trovato i coefficienti della quintica principale!

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Troviamo i coefficienti a,b, c della quintica principale:scriviamo: v5 + 5av2 + 5bv + c =

∏(v − zk ) e sfruttiamo le

identità di Newton...

c = −E(u5 + Au4 + Bu3 + Cu2 + Du + E)− v5 − 5av2 − 5bv

ora deriviamo: 5v4 + 10av + 5b + c =∑

j∏

k 6=j (v − zk ), eprocedendo analogamente...

5b = D(u4+Au3+Bu2+Cu+D)−E(5u3+4Au2+3Bu+C)−5v4−10av

derivando ancora una volta...

5a = −C(u3+Au2+Bu+C)+D(4u2+3Au+2B)−E(5u+2A)−10v3

B abbiamo così trovato i coefficienti della quintica principale!

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Troviamo i coefficienti a,b, c della quintica principale:scriviamo: v5 + 5av2 + 5bv + c =

∏(v − zk ) e sfruttiamo le

identità di Newton...

c = −E(u5 + Au4 + Bu3 + Cu2 + Du + E)− v5 − 5av2 − 5bv

ora deriviamo: 5v4 + 10av + 5b + c =∑

j∏

k 6=j (v − zk ), eprocedendo analogamente...

5b = D(u4+Au3+Bu2+Cu+D)−E(5u3+4Au2+3Bu+C)−5v4−10av

derivando ancora una volta...

5a = −C(u3+Au2+Bu+C)+D(4u2+3Au+2B)−E(5u+2A)−10v3

B abbiamo così trovato i coefficienti della quintica principale!

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Dalla quintica principale alla quintica di Brioschi

In questo passaggio ci vengono in aiuto i poliedri e i loro polinomi!

Si può partizionare un icosaedro regolarein 5 ottaedri regolari: dividiamo i 30 latidell’icosaedro in 5 insiemi di 6 lati cia-scuno (come in figura); per ogni insieme,i punti medi dei 6 lati sono i vertici di unottaedro regolare.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Dalla quintica principale alla quintica di Brioschi

In questo passaggio ci vengono in aiuto i poliedri e i loro polinomi!

Si può partizionare un icosaedro regolarein 5 ottaedri regolari: dividiamo i 30 latidell’icosaedro in 5 insiemi di 6 lati cia-scuno (come in figura); per ogni insieme,i punti medi dei 6 lati sono i vertici di unottaedro regolare.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Prendiamo l’ottaedro P1P2 . . .P6.

Consideriamo tre rotazioni: Fdi 180 attorno all’asse η, T di180 attorno all’asse OP1 e lacomposizione TF , di 180 attornoall’asse perpendicolare a entrambigli assi η e OP1.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Esse sono, formalmente, le trasfor-mazioni (ε = exp(2πi/5)):

F : z ′ = −1z

T : z ′ =(ε− ε4)z + (ε3 − ε2)

(ε3 − ε2)z − (ε− ε4)

TF : z ′ =(ε3 − ε2)z − (ε− ε4)

−(ε− ε4)z − (ε3 − ε2).

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Quali sono i punti lasciati inalterati dalle tre rotazioni?Ponendo z ′ = z e poi passando alle coordinate omogenee...

A0 = u2 + v2 = 0 ⇔ (u, v) è lasciato inalterato da F

B0 = u2−2(ε2 + ε3)uv − v2 = 0 ⇔ (u, v) è lasciato inalterato da T

C0 = u2−2(ε+ε4)uv−v2 = 0 ⇔ (u, v) è lasciato inalterato da TF .

Ognuno dei Pi è un punto fisso per una di queste rotazioni =⇒

t0 := A0B0C0= u6 + 2u5v − 5u4v2 − 5u2v4 − 2uv5 + v6

è il polinomio dei vertici dell’ottaedro P1P2 . . .P6.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Quali sono i punti lasciati inalterati dalle tre rotazioni?Ponendo z ′ = z e poi passando alle coordinate omogenee...

A0 = u2 + v2 = 0 ⇔ (u, v) è lasciato inalterato da F

B0 = u2−2(ε2 + ε3)uv − v2 = 0 ⇔ (u, v) è lasciato inalterato da T

C0 = u2−2(ε+ε4)uv−v2 = 0 ⇔ (u, v) è lasciato inalterato da TF .

Ognuno dei Pi è un punto fisso per una di queste rotazioni =⇒

t0 := A0B0C0= u6 + 2u5v − 5u4v2 − 5u2v4 − 2uv5 + v6

è il polinomio dei vertici dell’ottaedro P1P2 . . .P6.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Gli altri 4 ottaedri si ottengono dal primo facendo rotazioni dik · π/5 (k = 1,2,3,4).Come viene modificato t0 dalla rotazione Sk : z ′ = εk z(forma omogenea: U = ε3k u, V = ε2k v )?

tk = ε3k u6 + 2ε2k u5v − 5εk u4v2 − 5ε4k u2v4 − 2ε3k uv5 + ε2k v6

è il polinomio dei vertici dell’ottaedro regolare che si ottiene dalprecedente facendo una rotazione di k

5π.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Gli altri 4 ottaedri si ottengono dal primo facendo rotazioni dik · π/5 (k = 1,2,3,4).Come viene modificato t0 dalla rotazione Sk : z ′ = εk z(forma omogenea: U = ε3k u, V = ε2k v )?

tk = ε3k u6 + 2ε2k u5v − 5εk u4v2 − 5ε4k u2v4 − 2ε3k uv5 + ε2k v6

è il polinomio dei vertici dell’ottaedro regolare che si ottiene dalprecedente facendo una rotazione di k

5π.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Ma i punti in cui t0, . . . , t4 si annullano sono anche i punti medi dei latidell’icosaedro⇒ sono le radici di t5 + c1t4 + c2t3 + c3t2 + c4t + c5 = 0,dove ck è polinomio di grado 6k in u, v invariante per Ih.Ragionando sui gradi che può avere un invariante di Ih e sfruttando leidentità di Newton...

i polinomi t0, . . . , t4 degli ottaedri sono le radici dell’equazione diBrioschi:

t5 − 10ft3 + 45f 2t − T = 0

dove f e T sono i polinomi dei vertici e dei lati dell’icosaedro.B La nostra equazione di Brioschi è un caso particolare in cui

Z = f , Z 2 = T ⇒ f 2 = T .

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Ma i punti in cui t0, . . . , t4 si annullano sono anche i punti medi dei latidell’icosaedro⇒ sono le radici di t5 + c1t4 + c2t3 + c3t2 + c4t + c5 = 0,dove ck è polinomio di grado 6k in u, v invariante per Ih.Ragionando sui gradi che può avere un invariante di Ih e sfruttando leidentità di Newton...

i polinomi t0, . . . , t4 degli ottaedri sono le radici dell’equazione diBrioschi:

t5 − 10ft3 + 45f 2t − T = 0

dove f e T sono i polinomi dei vertici e dei lati dell’icosaedro.B La nostra equazione di Brioschi è un caso particolare in cui

Z = f , Z 2 = T ⇒ f 2 = T .

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Ma i punti in cui t0, . . . , t4 si annullano sono anche i punti medi dei latidell’icosaedro⇒ sono le radici di t5 + c1t4 + c2t3 + c3t2 + c4t + c5 = 0,dove ck è polinomio di grado 6k in u, v invariante per Ih.Ragionando sui gradi che può avere un invariante di Ih e sfruttando leidentità di Newton...

i polinomi t0, . . . , t4 degli ottaedri sono le radici dell’equazione diBrioschi:

t5 − 10ft3 + 45f 2t − T = 0

dove f e T sono i polinomi dei vertici e dei lati dell’icosaedro.B La nostra equazione di Brioschi è un caso particolare in cui

Z = f , Z 2 = T ⇒ f 2 = T .

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Quali sono i polinomi Wk delle facce degli ottaedri?A meno di una costante, Wk è l’hessiano di tk (k = 0,1,2,3,4)...

Wk = −ε4k u8 + ε3k u7v − 7ε2k u6v2− 7εk u5v3 + 7ε4k u3v5− 7ε3k u2v6−

−ε2k uv7 − εk v8 .

Ragionando anche qui sul grado degli invarianti di Ih...∑Wk = 0,

∑tk Wk = 0,

∑W 2

k = 0,∑tk W 2

k = 0,∑

t2k W 2

k = 0 .

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Quali sono i polinomi Wk delle facce degli ottaedri?A meno di una costante, Wk è l’hessiano di tk (k = 0,1,2,3,4)...

Wk = −ε4k u8 + ε3k u7v − 7ε2k u6v2− 7εk u5v3 + 7ε4k u3v5− 7ε3k u2v6−

−ε2k uv7 − εk v8 .

Ragionando anche qui sul grado degli invarianti di Ih...∑Wk = 0,

∑tk Wk = 0,

∑W 2

k = 0,∑tk W 2

k = 0,∑

t2k W 2

k = 0 .

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Se allora prendiamo, per certi σ, τ :

zk = σWk + τ tk Wk

segue che∑

zk = 0 e∑

z2k = 0

⇒ tali zk sono le radici di una quintica principalez5 + 5az2 + 5bz + c = 0.Ricaviamo i coefficienti di questa quintica principale (anche quitramite le identità di Newton e un’indagine sui gradi degliinvarianti)...

a = 8f 2σ3 + Tσ2τ + 72f 3στ2 + fT τ3

b = −fHσ4 + 18f 2Hσ2τ2 + HTστ3 + 27f 3Hτ4

c = H2(σ5 − 10fσ3τ2 + 45f 2στ4 + T τ5) .

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Se allora prendiamo, per certi σ, τ :

zk = σWk + τ tk Wk

segue che∑

zk = 0 e∑

z2k = 0

⇒ tali zk sono le radici di una quintica principalez5 + 5az2 + 5bz + c = 0.Ricaviamo i coefficienti di questa quintica principale (anche quitramite le identità di Newton e un’indagine sui gradi degliinvarianti)...

a = 8f 2σ3 + Tσ2τ + 72f 3στ2 + fT τ3

b = −fHσ4 + 18f 2Hσ2τ2 + HTστ3 + 27f 3Hτ4

c = H2(σ5 − 10fσ3τ2 + 45f 2στ4 + T τ5) .

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Ora diamo opportuni valori a σ, τ , in modo che le espressioni pera,b, c coinvolgano f ,H,T esplicitamente solo nelle combinazioni:

Z =f 5

T 2 e V =H3

f 5

(legate dalla relazione: 1Z + V = 1728).

Prendiamo:

σ =λfH

, τ =µf 3

HT(λ, µ: parametri) e sostituendo...

Va = 8λ3 + λ2µ+ (72λµ2 + µ3)Z

Vb = −λ4 + 18λ2µ2Z + λµ3Z + 27µ4Z 2

Vc = λ5 − 10λ3µ2Z + 45λµ4Z 2 + µ5Z 2 .

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Ora diamo opportuni valori a σ, τ , in modo che le espressioni pera,b, c coinvolgano f ,H,T esplicitamente solo nelle combinazioni:

Z =f 5

T 2 e V =H3

f 5

(legate dalla relazione: 1Z + V = 1728).

Prendiamo:

σ =λfH

, τ =µf 3

HT(λ, µ: parametri) e sostituendo...

Va = 8λ3 + λ2µ+ (72λµ2 + µ3)Z

Vb = −λ4 + 18λ2µ2Z + λµ3Z + 27µ4Z 2

Vc = λ5 − 10λ3µ2Z + 45λµ4Z 2 + µ5Z 2 .

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Invertiamo le equazioni in modo che i parametri λ, µ,Z e V sianocalcolati a partire da a,b, c.Facendo vari calcoli...

λ2(a4 + abc − b3)− λ(11a3b − ac2 + 2b2c)+

+ 64a2b2 − 27a3c − bc2 = 0 −→ λ

V =(aλ2 − 3λb − 3c)3

a2(λac − λb2 − bc)

µ =Va2 − 8λ3a− 72λ2b − 72λc

λ2a + λb + c

1Z

+ V = 1728 −→ Z

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Invertiamo le equazioni in modo che i parametri λ, µ,Z e V sianocalcolati a partire da a,b, c.Facendo vari calcoli...

λ2(a4 + abc − b3)− λ(11a3b − ac2 + 2b2c)+

+ 64a2b2 − 27a3c − bc2 = 0 −→ λ

V =(aλ2 − 3λb − 3c)3

a2(λac − λb2 − bc)

µ =Va2 − 8λ3a− 72λ2b − 72λc

λ2a + λb + c

1Z

+ V = 1728 −→ Z

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

A questo punto possiamo esprimere le radici della quinticaprincipale in termini di λ, µ,Z e V . Basta prendere lazk = σWk + τ tk Wk e sostituirci i valori dati a σ, τ ...

zk =(λf

H

)Wk +

(µf 3

HT

)tk Wk .

Resta da scrivere la trasformazione che esprime le soluzioni zkdella quintica principale in funzione delle soluzioni yk dellaquintica di Brioschi associata.Ci vengono in aiuto ancora una volta i polinomi poliedrali

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

A questo punto possiamo esprimere le radici della quinticaprincipale in termini di λ, µ,Z e V . Basta prendere lazk = σWk + τ tk Wk e sostituirci i valori dati a σ, τ ...

zk =(λf

H

)Wk +

(µf 3

HT

)tk Wk .

Resta da scrivere la trasformazione che esprime le soluzioni zkdella quintica principale in funzione delle soluzioni yk dellaquintica di Brioschi associata.Ci vengono in aiuto ancora una volta i polinomi poliedrali

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Baricentri delle facce dei 5 ottaedri ↔ baricentridelle facce dell’icosaedro⇒ ogni Wk è un fattore di H.Inoltre si verifica che t2

k − 3f è un fattore di H (enon ce ne sono altri).

=⇒ H = Wk (t2k − 3f ) (k = 0,1,2,3,4).

Sostituendo nell’espressione per zk ...

zk =λ+ µyk(

y2k /Z

)− 3

.

è la trasformazione che cercavamo!

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Baricentri delle facce dei 5 ottaedri ↔ baricentridelle facce dell’icosaedro⇒ ogni Wk è un fattore di H.Inoltre si verifica che t2

k − 3f è un fattore di H (enon ce ne sono altri).

=⇒ H = Wk (t2k − 3f ) (k = 0,1,2,3,4).

Sostituendo nell’espressione per zk ...

zk =λ+ µyk(

y2k /Z

)− 3

.

è la trasformazione che cercavamo!

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Dalla quintica di Brioschi alla sestica di Jacobi

Teorema di Perron

Se abbiamo la quintica di Brioschi: y5 − 10fy3 + 45f 2y − T = 0, laquantità H della corrispondente sestica di Jacobis6 − 10fs3 + Hs + 5f 2 = 0 deve soddisfare l’identità icosaedrale1728f 5 − H3 − T 2 = 0.Se le radici della sestica si indicano con s∞, sk (k = 0,1,2,3,4),allora le 5 radici della quintica di Brioschi soddisfano:

y2k =

1√5

(s∞ − sk )(sk+2 − sk+3)(sk+4 − sk+1) .

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

- quando si estrae la radice, come si decide quale yk prendere?Si scrive la quintica di Brioschi così:

y =T

y4 − 10fy2 + 45f 2

in modo che a destra ci siano solo potenze pari di y e si controllaquale delle due yk soddisfa l’equazione.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Adesso entrano in gioco le funzioni ellittiche.Possiamo associare alla sestica di Jacobi una ℘ di Weierstrass concerti ∆, g2, g3.

Le relazioni che legano questi invarianti ai coefficienti dellasestica sono:

∆ = −1f, g2 = −H∆2

12, g3 =

216,

così la sestica diventa:

s6 +10∆

s3 − 12g2

∆2 s +5

∆2 = 0 .

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Adesso entrano in gioco le funzioni ellittiche.Possiamo associare alla sestica di Jacobi una ℘ di Weierstrass concerti ∆, g2, g3.

Le relazioni che legano questi invarianti ai coefficienti dellasestica sono:

∆ = −1f, g2 = −H∆2

12, g3 =

216,

così la sestica diventa:

s6 +10∆

s3 − 12g2

∆2 s +5

∆2 = 0 .

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Possiamo anche collegare gli invarianti direttamente alparametro Z della quintica di Brioschi:

∆ = − 1Z, g2 =

112

3

√1− 1728Z

Z 2 , g3 = − 1216Z

,

così la quintica diventa:

y5 +10∆

y3 +45∆2 y − 216g3

∆3 = 0 .

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Espressione delle soluzioni della sestica tramite ℘

A questo punto riusciamo a scrivere le soluzioni della sestica intermini di ℘.

Avevamo visto che:σ(5z)

σ25(z)= 0 ⇐⇒

(℘′′2 − 12℘℘′2)3 − 16℘′4℘′′(℘′′2 − 12℘℘′2)− 64℘′8 = 0

B equazione sopra: gli zeri sono i 24 valori zmn = 2mω+2nω′

5(m,n ∈ Z5)

B equazione sotto: è di grado 12 in ℘⇒ gli zeri sono i 12 valori℘m,n = ℘(zmn) (℘−m,−n = ℘m,n)

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Espressione delle soluzioni della sestica tramite ℘

A questo punto riusciamo a scrivere le soluzioni della sestica intermini di ℘.

Avevamo visto che:σ(5z)

σ25(z)= 0 ⇐⇒

(℘′′2 − 12℘℘′2)3 − 16℘′4℘′′(℘′′2 − 12℘℘′2)− 64℘′8 = 0

B equazione sopra: gli zeri sono i 24 valori zmn = 2mω+2nω′

5(m,n ∈ Z5)

B equazione sotto: è di grado 12 in ℘⇒ gli zeri sono i 12 valori℘m,n = ℘(zmn) (℘−m,−n = ℘m,n)

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Espressione delle soluzioni della sestica tramite ℘

A questo punto riusciamo a scrivere le soluzioni della sestica intermini di ℘.

Avevamo visto che:σ(5z)

σ25(z)= 0 ⇐⇒

(℘′′2 − 12℘℘′2)3 − 16℘′4℘′′(℘′′2 − 12℘℘′2)− 64℘′8 = 0

B equazione sopra: gli zeri sono i 24 valori zmn = 2mω+2nω′

5(m,n ∈ Z5)

B equazione sotto: è di grado 12 in ℘⇒ gli zeri sono i 12 valori℘m,n = ℘(zmn) (℘−m,−n = ℘m,n)

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Siano:

ymn = ℘ 2m,2n − ℘m,n = ℘(4mω + 4nω′

5

)− ℘

(2mω + 2nω′

5

)sfruttando una proprietà della ℘ di Weierstrass...

ymn =(℘′′m,n)2 − 12℘m,n(℘′m,n)2

4(℘′m,n)2

omettendo i pedici e sostituendo, dopo vari calcoli

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Siano:

ymn = ℘ 2m,2n − ℘m,n = ℘(4mω + 4nω′

5

)− ℘

(2mω + 2nω′

5

)sfruttando una proprietà della ℘ di Weierstrass...

ymn =(℘′′m,n)2 − 12℘m,n(℘′m,n)2

4(℘′m,n)2

omettendo i pedici e sostituendo, dopo vari calcoli

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Siano:

ymn = ℘ 2m,2n − ℘m,n = ℘(4mω + 4nω′

5

)− ℘

(2mω + 2nω′

5

)sfruttando una proprietà della ℘ di Weierstrass...

ymn =(℘′′m,n)2 − 12℘m,n(℘′m,n)2

4(℘′m,n)2

omettendo i pedici e sostituendo, dopo vari calcoli

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

5y12 − 12g2y10 + 10∆y6 + ∆2 = 0 .

Le soluzioni di questa sono le ymn = ℘ 2m,2n − ℘m,n!Se si pone y2 = 1/s si ottiene proprio la sestica di Jacobi =⇒

√smn =

1

℘(

4mω+4nω′

5

)− ℘

(2mω+2nω′

5

) .

Abbiamo espresso le radici s∞, sk tramite la ℘ di Weierstrass; ora pervalutare tali espressioni dobbiamo utilizzare le funzioni θ.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

5y12 − 12g2y10 + 10∆y6 + ∆2 = 0 .

Le soluzioni di questa sono le ymn = ℘ 2m,2n − ℘m,n!Se si pone y2 = 1/s si ottiene proprio la sestica di Jacobi =⇒

√smn =

1

℘(

4mω+4nω′

5

)− ℘

(2mω+2nω′

5

) .

Abbiamo espresso le radici s∞, sk tramite la ℘ di Weierstrass; ora pervalutare tali espressioni dobbiamo utilizzare le funzioni θ.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

5y12 − 12g2y10 + 10∆y6 + ∆2 = 0 .

Le soluzioni di questa sono le ymn = ℘ 2m,2n − ℘m,n!Se si pone y2 = 1/s si ottiene proprio la sestica di Jacobi =⇒

√smn =

1

℘(

4mω+4nω′

5

)− ℘

(2mω+2nω′

5

) .

Abbiamo espresso le radici s∞, sk tramite la ℘ di Weierstrass; ora pervalutare tali espressioni dobbiamo utilizzare le funzioni θ.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Espressione delle soluzioni della sestica tramitefunzioni theta

A causa della doppia periodicità di ℘, possiamo scrivere:

√s∞ =

1℘( 2ω

5

)− ℘

( 4ω5

)√

sk =1

℘(

2ω′−2kω5

)− ℘

(4ω′−4kω

5

) (k = 0,1,2,3,4).

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Sfruttando varie proprietà delle funzioni viste, si ottiene...

√s∞ =

√5

B

+∞∑n=−∞

(−1)nq5(6n+1)2

12

√sk =

1B

+∞∑n=−∞

(−1)nεk(6n+1)2q

(6n+1)2

60

dove q = exp(πiω′

ω

), ε = exp

( 2πi5

)e:

B =6√

∆+∞∑

n=−∞(−1)nq

(6n+1)2

12 .

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Sfruttando varie proprietà delle funzioni viste, si ottiene...

√s∞ =

√5

B

+∞∑n=−∞

(−1)nq5(6n+1)2

12

√sk =

1B

+∞∑n=−∞

(−1)nεk(6n+1)2q

(6n+1)2

60

dove q = exp(πiω′

ω

), ε = exp

( 2πi5

)e:

B =6√

∆+∞∑

n=−∞(−1)nq

(6n+1)2

12 .

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Determinazione del parametro q

Dunque abbiamo espresso le radici s∞, sk della sestica di Jacobitramite le funzioni theta.Va però ancora determinato il valore del parametro q a partire daiparametri della sestica!

Problema dell’inversione

Date le radici e1,e2,e3 dell’equazione ℘′2(z) = 4℘3(z)− g2℘(z)− g3,cioè gli invarianti irrazionali della ℘ associata alla nostra sestica diJacobi, calcolare il valore del parametro q.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Determinazione del parametro q

Dunque abbiamo espresso le radici s∞, sk della sestica di Jacobitramite le funzioni theta.Va però ancora determinato il valore del parametro q a partire daiparametri della sestica!

Problema dell’inversione

Date le radici e1,e2,e3 dell’equazione ℘′2(z) = 4℘3(z)− g2℘(z)− g3,cioè gli invarianti irrazionali della ℘ associata alla nostra sestica diJacobi, calcolare il valore del parametro q.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Calcoliamo il valore del parametro L definito dall’equazione:

L =4√

e1 − e3 − 4√

e1 − e24√

e1 − e3 + 4√

e1 − e2=

1−√

k ′

1 +√

k ′.

Avevamo visto che√

k ′ = θ4(0)/θ3(0); tenendo presenti anchegli sviluppi delle funzioni thetanulle:

L =θ3(0)− θ4(0)

θ3(0) + θ4(0)=

2(q + q9 + q25 + . . .)

(1 + 2q4 + 2q16 + . . .)

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Calcoliamo il valore del parametro L definito dall’equazione:

L =4√

e1 − e3 − 4√

e1 − e24√

e1 − e3 + 4√

e1 − e2=

1−√

k ′

1 +√

k ′.

Avevamo visto che√

k ′ = θ4(0)/θ3(0); tenendo presenti anchegli sviluppi delle funzioni thetanulle:

L =θ3(0)− θ4(0)

θ3(0) + θ4(0)=

2(q + q9 + q25 + . . .)

(1 + 2q4 + 2q16 + . . .)

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Invertendo quest’ultima equazione, otteniamo un’espressionedetta nomo di Jacobi:

q =

(L2

)+2

(L2

)5

+12(

L2

)9

+150(

L2

)13

+ . . . =∞∑j=1

qj

(L2

)4j+1

in cui i coefficienti qj formano la serie:1, 2, 15, 150, 1707, 20910, 268616, 3567400, 48555069 . . . .

B Così troviamo il valore di q! Possiamo sostituirlo nelle formuleper√

s∞ e per√

sk e abbiamo finalmente i valori delle soluzionidella sestica di Jacobi!

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Invertendo quest’ultima equazione, otteniamo un’espressionedetta nomo di Jacobi:

q =

(L2

)+2

(L2

)5

+12(

L2

)9

+150(

L2

)13

+ . . . =∞∑j=1

qj

(L2

)4j+1

in cui i coefficienti qj formano la serie:1, 2, 15, 150, 1707, 20910, 268616, 3567400, 48555069 . . . .

B Così troviamo il valore di q! Possiamo sostituirlo nelle formuleper√

s∞ e per√

sk e abbiamo finalmente i valori delle soluzionidella sestica di Jacobi!

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Risalendo le varie trasformazioni fatte...

B Non resta che invertire le trasformazioni fatte per arrivare fin qui:

Sestica di Jacobi −→ quintica di Brioschi:Dal teorema di Perron abbiamo:

yk =

√1√5

(s∞ − sk )(sk+2 − sk+3)(sk+4 − sk+1)

-per prendere quella giusta si verifica quale soddisfa:

yk =(

216g3∆3

)/((y2

k )2 + 10∆ y2

k + 45∆2

)

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Risalendo le varie trasformazioni fatte...

B Non resta che invertire le trasformazioni fatte per arrivare fin qui:

Sestica di Jacobi −→ quintica di Brioschi:Dal teorema di Perron abbiamo:

yk =

√1√5

(s∞ − sk )(sk+2 − sk+3)(sk+4 − sk+1)

-per prendere quella giusta si verifica quale soddisfa:

yk =(

216g3∆3

)/((y2

k )2 + 10∆ y2

k + 45∆2

)

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IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Quintica di Brioschi −→ quintica principale:

zk =λ+ µyk(

y2k /Z

)− 3

Quintica principale −→ quintica generale:

Sappiamo che zk = x2k − uxk + v , o equivalentemente:

(xk − u)2 = (zk − v)− u(xk − u) .

Anche per m = 3,4,5 troviamo formule analoghe:

(xk − u)m = Pm(u, zk − v) + Qm(u, zk − v) · (xk − u) ,

dove Pm,Qm sono opportuni polinomi che possiamo calcolare.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

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Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Quintica di Brioschi −→ quintica principale:

zk =λ+ µyk(

y2k /Z

)− 3

Quintica principale −→ quintica generale:

Sappiamo che zk = x2k − uxk + v , o equivalentemente:

(xk − u)2 = (zk − v)− u(xk − u) .

Anche per m = 3,4,5 troviamo formule analoghe:

(xk − u)m = Pm(u, zk − v) + Qm(u, zk − v) · (xk − u) ,

dove Pm,Qm sono opportuni polinomi che possiamo calcolare.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Definiamo A′,B′,C′,D′,E ′ come coefficienti della quintica modificata,le cui radici sono le radici della quintica generale meno u:

(x − u)5 + A′(x − u)4 + B′(x − u)3 + C′(x − u)2 + D′(x − u) + E ′ = 0 .

Se ci sostituiamo le espressioni per (xk − u)m, otteniamoun’equazione lineare in (xk − u), che semplificata diventa:

xk =−[E + (zk − v)(u3 + Au2 + Bu + C) + (zk − v)2(2u + A)]

u4+Au3+Bu2+Cu+D + (zk − v)(3u2 + 2Au + B) + (zk − v)2 .

F Queste xk sono le soluzioni che cercavamo!!

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IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Definiamo A′,B′,C′,D′,E ′ come coefficienti della quintica modificata,le cui radici sono le radici della quintica generale meno u:

(x − u)5 + A′(x − u)4 + B′(x − u)3 + C′(x − u)2 + D′(x − u) + E ′ = 0 .

Se ci sostituiamo le espressioni per (xk − u)m, otteniamoun’equazione lineare in (xk − u), che semplificata diventa:

xk =−[E + (zk − v)(u3 + Au2 + Bu + C) + (zk − v)2(2u + A)]

u4+Au3+Bu2+Cu+D + (zk − v)(3u2 + 2Au + B) + (zk − v)2 .

F Queste xk sono le soluzioni che cercavamo!!

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Ci sono alcune ambiguità da risolvere! Ne citiamo una:

- Nella formula per L compaiono 4√

e1 − e3, 4√

e1 − e2. Abbiamo 4possibili valori per ogni radice, che portano a 4 possibili valori diL; in più ci sono 6 permutazioni di e1, e2, e3. In totale: 4 · 6 = 24possibili valori di q per ogni equazione sestica data.

- La metà di questi sono tali che |q| > 1 e possono essere subitoscartati. Per ognuno dei restanti 12 valori, possiamo far calcolareal computer le corrispondenti soluzioni s∞, sk e verificare se:

(s − s∞)4∏

k=0

(s − sk )

coincide con l’originale sestica di Jacobi.

Ilaria Nesi Algoritmo di Kiepert per la risoluzione dell’equazione quintica

IntroduzionePreliminari

Algoritmo di Kiepert

Passo 1Passo 2Passo 3Passo 4Passo 5Passo 6Passo 7

Ci sono alcune ambiguità da risolvere! Ne citiamo una:

- Nella formula per L compaiono 4√

e1 − e3, 4√

e1 − e2. Abbiamo 4possibili valori per ogni radice, che portano a 4 possibili valori diL; in più ci sono 6 permutazioni di e1, e2, e3. In totale: 4 · 6 = 24possibili valori di q per ogni equazione sestica data.

- La metà di questi sono tali che |q| > 1 e possono essere subitoscartati. Per ognuno dei restanti 12 valori, possiamo far calcolareal computer le corrispondenti soluzioni s∞, sk e verificare se:

(s − s∞)4∏

k=0

(s − sk )

coincide con l’originale sestica di Jacobi.

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Ci sono alcune ambiguità da risolvere! Ne citiamo una:

- Nella formula per L compaiono 4√

e1 − e3, 4√

e1 − e2. Abbiamo 4possibili valori per ogni radice, che portano a 4 possibili valori diL; in più ci sono 6 permutazioni di e1, e2, e3. In totale: 4 · 6 = 24possibili valori di q per ogni equazione sestica data.

- La metà di questi sono tali che |q| > 1 e possono essere subitoscartati. Per ognuno dei restanti 12 valori, possiamo far calcolareal computer le corrispondenti soluzioni s∞, sk e verificare se:

(s − s∞)4∏

k=0

(s − sk )

coincide con l’originale sestica di Jacobi.

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